（机械设计及理论专业论文）机械结构对称破缺的概念、作用及其应用.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 对称破缺是产品结构及其演化过程中的一个普遍现象，但目前国内外对此尚 鲜有关注。作者收集了6 0 0 余个机械结构对称破缺实例，采用统一标准逐个分析 了对称破缺在实例中的存在方式和所起的作用。在此基础上，借助知识挖掘手段， 展开机械结构对称破缺概念、作用及其应用的研究，主要研究内容和成果体现在 以下四个方面： l 、机械结构对称破缺概念和分类体系的建立。通过对结构对称破缺实例的 分析归纳并借鉴课题组结构对称的研究成果，提出了机械结构对称破缺的定义， 建立了包括结构静态对称破缺、结构动态对称破缺和结构选择对称破缺等类型的 分类体系。 2 、结构对称破缺关联知识挖掘与分析。在构建机械结构对称破缺实例库和 设计需求库后，利用关联知识挖掘算法对设计需求和结构对称破缺之间的关联关 系进行了挖掘，并重点分析了其中支持度较高的几类关联知识，归纳了机械结构 对称破缺在满足功能需求、性能需求和约束需求等方面的作用。 3 、不对称匹配原理及其应用方法研究，在关联知识的启发下，结合对大量 产品改进设计实例的人工分析，提出了不对称匹配原理及其四种分类，归纳了不 对称匹配原理的应用方法和流程，从对称破缺的角度对产品的创新和改进设计作 了有益探索 4 、机械结构对称破缺知识应用平台( k a p m s s ) 的开发。在上述理论研究 的基础上，研制了集成实例管理、知识挖掘、知识管理、知识应用四大模块的机 械结构对称破缺知识应用平台，将知识获取与知识应用有机结合在一起，并通过 小型风力发电机的改进实例初步检验了平台的实用性。 关键词：机械结构对称破缺；概念体系；关联知识挖掘；不对称匹配原理；知识 应用平台 n 浙江大学硕士学位论文 a b s t ra c t a b s t r a c t s y n l m 鲍y b r e 出i n gi s ac o n l m o np h 饥o m e n o ni np r o d u c ts 仇l c n 玳锄di t s e v o l u t i o np r o c e s s ，b u tt l l ee x i t i l l gr e s e a r c hh a sn o tp a i de n o u g ha t t e n 6 0 nt 0i tb o t l la t h o m e 锄da ：b r o a d o v e r6 0 0i l l s t 趾c e so fm e c h a n i c a ls t n j c t u 】r es y n 珊e n y b r e a k i n g w e r ec 0 1 l o c t e 也趾d 也ef o 册so fe ) 【i s t 印c ea n dt h e i r 棚t sw e r ea n a l y z e du n d e ra 瑚i f o 皿s 协n d a r d o n 也e s eb a u s e s ，r e s e a r c ho nc o n c e 鸥f i l n c t i o n 缸da p p l i c a t i o no f m e c h 砌c a ls t r i l c t i l r cs y m m 酏哕- b r e a k i n gi sc a 耐e do u t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 狃dr e s i l n sa r ef o c u s e do nt l l ef o l l o w i n gf 0 1 l ra s p e c t s ： 1 e s t a ：b l is _ h m e n to fc o n c e p ta n dc 1 硒s i f i c a 虹o ns y s t 锄o fm e c h a i l i c a ls 仉l c t l l r e s 脚e 吵b r e a l 【i i l g 触e r 也ea n a l y s i so fs 臼m c t i l r es y m m e t 叮_ b r e a k i l l gi n s t a n c e s ，a l s 0 w i 也r e f 醣瞰c et 0m er e s e a r c ha c h i e v 锄e n t so fs m l c t i l r es y m m e 臼哆，m ec o n c 印to f m e c h a n i c a l 鼬n l c t i l r es y m m 酏呵- b r e 蛐gw 嬲p r o p o s e d 趾d 血ec l a s s i f i ca ：t i o ns y s t 锄 i n c l u d i n gs 仃u c t i l r cs t 撕cs y m m e t 叮b r e 址【i n g ，蛐n l c t u r ed y n 鼬i cs 烨e n y b r e a k i n g 锄ds t n l m 鹏s e l e c 6 v es ) 衄e n y - b r e a k j l l gw a sb u i l t 2 a s s o c i a t i o nk n o w l e d g em i n i n g 锄d 锄a l 河so fs 仃u c t i i r es y 曲n e 缸y b r e a k i n g i l 域髓c e s a f t c re s t a b i j s h i n g 血e 毗c ed a t a b a s ea n dd e s i 弘r e q u i r e m e n t sd a t a b a s e ， t h e 舔s o c i a t i o nm l c sb e 脚e 髓a n 妣d so fs t r i l c t i l l 陀s y 衄e 乜y b r e 出i n g 趾dd c s i 印 r e q u i r e m e n t sw e r em i n c du 咖g 嬲s o c i 撕o n 弛a l y s i sa l g o r i t b l m t h 饥也ee 妇f e c t so f s t r u c t u r es ) ，m m e 仃y b r e 址血gi n c l u d i l l gm e e t i l l g 向n c t i o n a lr e q u 疏e n t s ，p 确m a n c e r e q u i r c = m e n t s ，锄do t l l e rd e s i 弘c o 璐仃a 血sw e r ec o n c l u d e d 3 r e s e a r c ho n 嬲蛐e t 巧m a t c h i n gp 血c i p l ea n di t sa p p h c a t i o nm e t l l o d b 髂e d o nt h ei n s p i m t i o n 丘d m 勰s o c i 痂gh o w l e d g e 锄dm a n u a l 锄a l y s i so fp r o d u c t s i m p r 0 v e m e n ti 璐t a 】e s ，t 1 1 e 勰舯e t r ym a t c h i n gp r i n c i p l ea _ 1 0 n g w i m “sf 1 0 u r d i f f 醯e d tt y p e sw e r ep i o p o s e d a n dt l l ea p p l i c a t i o nm e t l l o do fa s 卿c t 巧m a t 龇g p 血c i p l e w 弱a l s 0 咖e d u p 4 d e 、，e l o p m e n t o f k n o w l e d g ea p p l i c a t i o n p la ：响皿o fm e c h a n i c a l s y n 地e 仃y b r e a k i n g ( k a p m s s ) b a s e d0 n 也ea ：b 0 v e 也e o r e t i c 2 l ls t u d y ，ah o w l c d g e a p p l i c a t i o np 1 躺r n l 血e 鼬g 缸n 嘶o n so f 证s t a n c e sm a n a g e m e n t ，h o w l e d g e m i n i n g ，h o w l e d g em a n a g e m e n t 锄d 印p l i c 撕o nw 弱f 0 i l n d c d f u n h e 肌o r e ，趾 m 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t i l p r 0 v e dd e s i 盟o fas m a l l s c a l ew 洫dg 吼e r a t o rw 弱t a l 【衄舔趾e x 觚1 p l et 0v 谢匆 也eu t n 时o f 也ep l a 哟mp r e l i n l 砬m y k e yw o r d s ：m e c h a n i c a l 姗孤玳s y n m e 仃y - b r e a k i n g ；c o n c e p ts y 砒c m ；私s o c i 痂g h l o w l e d g em i n i n g ；嬲y m m e t 呵m a t c 址鸣p 血c i p l e ；h l o w l e d g ea p p l i c a t i o np l a t f o r m 浙江大学硕士学位论文 插图清单 插图清单 图1 1 生物不对称的三种类型3 图1 2 招潮蟹3 图1 3 美国龙虾3 图1 4 蛋形结构3 图1 5 动物进化与对称破缺4 图1 6 不对称扑翼使得昆虫获得转向动力5 图1 7 对称步态与不对称步态5 图1 8 不对称拱桥7 图1 9 不对称与美学中的“三分之一”构图原理8 图1 1 0 雕塑作品对称破缺的趋势一8 图1 1 1 不对称尾鳍侧面轮廓图1 l 图1 1 2 曲柄滑块机构1 1 图1 1 3 非对称齿轮齿廓形状1 2 图1 1 4 对称齿轮与非对称齿轮疲劳试验结果1 2 图1 1 5 非对称结构电磁体1 2 图1 1 6 汽车变速器不对称接合齿的设计1 2 图1 1 7 实例样本：犁的结构及其进化过程中的对称性1 4 图1 1 8 论文总体框架1 5 图2 1 直齿圆柱齿轮演化过程的对称破缺现象1 6 图2 2 机械结构对称破缺的分类1 7 图2 - 3 三种滚子及其对称维度分析1 9 图2 4 蝶阀的结构形式2 0 图2 5 蝶阀演化过程中的对称破缺一2 0 图2 6 非圆齿轮传动机构2 3 图2 7 对称选择破缺示意2 5 图3 1 基于实例的机械结构对称破缺知识发现进程2 6 图3 2 机械结构对称破缺实例模型2 8 v 浙江大学硕士学位论文 插图清单 图3 3 结构对称破缺实例的性能需求体系3 0 图3 4 对称破缺与运动的产生3 3 图3 5 电磁平面行走机器人3 4 图3 6 利用差速原理实现转向的小车3 4 图3 7 锥形滚轮直角转向机3 4 图3 8 端面齿轮传动机构3 6 图3 9 对称破缺的均载螺母3 7 图3 1 0 自动焊枪的焊接位置3 7 图3 1 1 吊车行走装置3 8 图3 1 2 铸铁支撑结构件截面的合理设计3 8 图3 1 3 皮带轮腹板的设计4 0 图3 1 4 铸件节板的改进4 0 图3 1 5 轴瓦的设计4 l 图3 1 6 防止误装配的定位销孔设计4 l 图3 1 7 门把手的设计4 2 图3 1 8 色盲红绿灯4 2 图3 1 9 结构对称破缺与日用品创新设计4 3 图3 2 0 波音飞机扁圆形整流罩4 4 图3 2 1 倾斜安装的发动机4 4 图3 2 2 边三轮摩托4 4 图3 2 3 起钉器的上下钳口4 4 图3 2 4 刀盘周向水土压力4 5 图3 2 5 盾构推进液压缸截面分区图4 5 图4 1 系统外部的不对称诱导因素一4 7 图4 2 凿子形状及其在打眼时木料受力分析示意j 4 8 图4 3 活塞环的改进设计一4 9 图4 4 外啮合不对称齿轮泵4 9 图4 5 直升机及其尾部螺旋桨5 0 图4 6 轴承座支撑改进设计。5 0 浙江大学硕士学位论文插图清单 图4 7 不同厚度的平板零件缝焊5 1 图4 8 曲面零件缝焊5 1 图4 9 匹配人体结构不对称的产品设计一5 1 图4 1 0 匹配人体功能不对称的产品设计5 2 图4 1 1 普通剪刀与左撇子剪刀5 3 图4 1 2 量杯刻度标示的改进设计5 3 图4 1 3 不对称注射器5 3 图4 1 4 观察窗紧固螺栓设计5 4 图4 1 5 不对称漏斗5 4 图4 1 6 换热器改进设计5 5 图4 1 7 鼓形齿及其载荷分布5 5 图4 1 8 应用不对称匹配原理进行设计改进的流程5 6 图4 1 9 待改进的一种自行车涨闸结构图。，5 8 图4 2 0 带式制动器5 9 图4 2 1 涨闸的改进设计5 9 图4 2 2 蹄片式制动装置5 9 图5 1 机械结构对称破缺知识应用平台的功能规划一6 1 图5 2 各模块之间的相互关系6 2 图5 3 结构对称破缺实例管理界面6 3 图5 4 结构对称破缺关联知识挖掘条件设置界面“ 图5 5 “性能需求= 结构静态对称破缺”关联知识挖掘结果显示界面6 4 图5 6 对称破缺分类体系管理界面6 5 图5 7 问题描述界面6 6 图5 8 系统分析界面6 7 图5 9 不对称匹配界面6 8 图5 1 0 设计方案陈述界面6 9 图5 1 l 风速匹配风力发电机设计方案6 9 x 浙江大学硕士学位论文 附表清单 附表清单 表1 1 男子游泳世界纪录成绩表6 表1 2 男子游泳世界纪录平均速度6 表1 3a s i t 理论中的工具及其对象9 表2 1 结构静态对称破缺的分类1 8 表2 2 结构静态对称破缺的主体一2 l 表2 3 定向运动中的选择对称破缺一2 4 表3 1 结构对称破缺例数据库中的实例信息片段2 9 表3 2 能量转换类功能及其部分子需求3 0 表3 3 设计需求与各类结构对称破缺之间的关联关系3 2 表3 4 结构对称破缺与速度、动力的放大或缩小一3 5 表3 5 对称破缺提高系统的均匀性：3 9 表3 6 结构对称破缺避免双重配合4 0 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完稿之际，首先要感谢我的导师冯培恩教授所给予的悉心指导，冯 老师渊博的学识，敏锐的思维和严谨的学术作风给我留下了极其深刻的印象。他 所传授的分析问题、解决问题的方法以及做人、做事的原则使我在学术和生活中 受益良多。这些都将成为铭刻在我成长历程中的重要一课 感谢实验室的邱清盈老师，武建伟老师、管成老师、高字老师以及研究所的 顾大强老师和王庆九老师在我硕士阶段给予的指导和帮助。 感谢机械对称性研究项目组的马志勇博士，李志萍硕士，作为更早进入机械 对称性研究探索者，他们的积累的研究经验和前期成果为本文的研究提供了便利， 也使我少走了不少弯路。感谢课题组的博士生曾令斌、戚玉轩，硕士生马有才、 刘屿、刘瑞文和王少剑对本文研究提供的帮助，组会上众多新颖的观点对我颇具 启发。 研究生阶段即将结束，藉此机会，向陪伴我走过二年多难忘时光的同窗好友 致以衷心的感谢和深深祝福! 最后还要特别感谢我的母亲，她虽不知书识字，却一直为我的成长和学业默 默倾注心血! 刘伟平 2 0 1 2 年2 月5 号 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 l 绪论 1 1 课题的提出 对称破缺与对称一样，是客观世界的基本特征之一，是人们在探索自然规律 过程中产生的基本概念。从自然科学、社会科学到工程科学，对称破缺都是常见 现象，并引起了众多学者的关注和研究。 在物理学领域，从华人科学家李政道和杨振宁发现宇称不守恒开始，对称破 缺日益成为研究的热点【1 】【2 】，南部阳一郎因提出了对称性自发破缺理论而获得了 2 0 0 8 年诺贝尔物理学奖在化学领域，寻求和研究光学对映体的合成方法，特 别是得到纯粹单一对映体的不对称合成方法是当前的研究前沿【3 】【4 】【5 1 在经济学 领域，信息不对称是市场交易中的基本现象，建立在信息不对称这一核心之上的 信息经济学正日益成为市场经济理论的重要分支【6 1 ，相关学者多次获得诺贝尔经 济学奖明【8 1 。在生物学领域，对称与不对称是理解动物进化与个体发育的核心概 念【9 】，除了海绵以外所有动物的躯干都具有镜射或旋转对称的特征，然而这些对 称并非完全，从内部器官的形态位置到左右脑的功能都充斥着不对称的身影，生 物进化亦是对称性不断破缺的过程【1 0 】总之，对称破缺创造了丰富多态的万千 世界【l l 】，有关对称破缺的研究深化了人们对客观事物的理解。 在机械领域，对称破缺是产品结构演化过程中一个普遍而有趣的现象，但目 前国内外对此尚鲜有关注。降低产品结构的对称度可能提高其在特定条件下的性 能，使其能更好地适应不同的功能需求或工作条件。以齿轮类零件的演化为例， 最初的直齿圆柱齿轮具有旋转、镜射等多重对称性，锥齿轮、非圆齿轮、不完全 齿轮等对称破缺的齿轮拓宽了齿轮的应用范围，斜齿轮、不对称齿形齿轮、鼓形 齿轮等对称破缺的齿轮改善了特定状况下齿轮的性能。可见，系统地研究机械产 品结构对称破缺的作用机理及其应用策略有助于促进产品设计理论和方法学的 发展，同时促进产品更好满足市场的多样化需求 浙江大学机械设计研究所机械对称性课题组在国家自然科学基金的支持下， 从2 0 0 6 年开始对机械对称进行了系统性的探索研究，在生物、物理及机械对称 本体的建立 1 2 】【13 1 、机械对称概念及分类体系的建立【1 4 】【1 5 】【1 q 以及机械对称知识发 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 现和挖掘算法【1 7 18 1 、机械结构对称的静动态特性及其功能和效用分析1 明等方面 取得了初步成果，但其尚没有涉及机械中普遍存在的对称破缺现象，因而给本文 的研究留下了广阔的空间 本论文希望通过对大量实例的系统分析，构建机械对称破缺的概念和分类体 系，挖掘对称破缺的效用和作用机理，提炼应用对称破缺实现创新设计和产品改 进的方法和路径，并在初步的设计实践中加以检验 1 。2 跨学科领域的研究现状及启示 1 2 1 生物的对称破缺与不对称 生物的进化过程是物种适应环境的一个优化过程【2 0 1 ，与技术产品设计进程 具有一定的可类比性。生物形态结构对称破缺的存在机理包括了实现功能、提高 性能和适应环境约束等方面【2 1 】【2 2 1 ，与机械产品的设计改进目标相似。因此生物 领域对称破缺存在的机理及其相应的研究方法对机械对称破缺研究具有一定的 参考价值 1 ) 生物形体结构对称破缺的类型 生物形体结构的不对称包括三种类型：波动不对称( f l u c t u a t i n ga s y n 吼l e 时， f a ) 、单向不对称性( d i r e c t i o n a l 勰y 衄曲了，d a ) 、双向不对称( 触i 咖e 廿y ， a s ) 如图1 1 所示。f a 是指那些微小的、随机的、无方向性的偏离原有对称性 发育的表型偏差。它由非遗传的发育扰动引发，可以衡量生物偏离原有的对称性 发育的程度，即f a 能够用来指示生物发育的稳定性。单向不对称是指种内个体 固定一侧发育超常，其两侧偏差呈现均数为非零的钟形分布，如人类的偏手性， 以及哺乳动物的心脏出现在左侧的个体显著大于另一侧的现象，单向不对称可能 存在某些遗传基础双向不对称是指种群中大部分个体形状都存在不对称，但不 对称具体出现在那一侧却是不定的种群中，所有个体的不对称值的平均数为零， 但其分布并不是正态分布，而是表现出一定的低峰态或双峰态分布2 3 1 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 数 量 ( n n n 。八蝴一一 八揣一 图1 1 生物不对称的三种类型 除了波动性不对称之外，单向不对称和双向不对称对提高生物生存能力和环 境适应能力有一定作用，最常见的是生物形态结构镜射对称破缺现象。例如雄性 招潮蟹( 图1 2 ) 在交配时节利用其巨大的螯( 约占其体重的4 0 ) 传递信息并 进行战斗美国龙虾亦拥有两个左右不对称的钳( 图1 - 3 ) ，左侧的钳子用于将 食物夹碎，右侧的钳子用于切割食物2 4 1 。鸟类产的蛋呈现一头大一头小的结构 形态( 图1 4 ) ，蛋形结构强度高，使鸟蛋不易被母乌压坏，并有利于母鸟身体 的覆盖及保温。蛋形结构不做直线滚动，而是环形滚动，悬崖边上的鸟蛋因而不 易滚下悬崖【25 1 。猫头鹰的左、右耳通常长在头骨上下不同的水平位置，这种不 对称的结构，使每只耳朵接收到的声音有些微的时间差距，猫头鹰借此确认猎物 的位置，提高其在黑夜的捕食能力。上述四个例子中的对称破缺现象都是生物在 优胜劣汰的自然选择过程中不断进化的结果，可见对称破缺对于生物进化的重要 意义。 图1 2 招潮蟹2 们图1 3 美国龙虾【2 刀图1 4 蛋形结构 j 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 形体结构对称破缺与生物进化 生物进化是一个从简单到复杂，从低等到高等的优化过程。在这个过程中， 生物体形态结构的对称度不断降低。以动物为例，动物的生存空间是一个三维空 间，若以上下、前后、左右三个维度衡量动物的对称性可以发现，最早的原生 动物大多呈球形，具有三维对称性，不存在上下、前一后、左右的概念；肠腔动 物、棘皮动物等低等动物呈现两个维度的辐射对称性，可区分上下，但没有前 后、左右的概念；剩下的动物如哺乳类、鸟类、鱼类等基本呈现一维镜射对称 性，左右对称，而上下、前后差异明显。图1 5 展示了在各向异性环境中，动 物自适应进化过程中的对称破缺现象，其中重力因素导致了从球对称到旋转对称 的演化，空间定向运动的需求导致了从旋转对称到镜射对称的演化，每一次对称 性的缺失都带来动物运动能力质的提升。 o 重力 o 空间 1 时间 v 一，。，j 痧、j 匕= 萨毫j 毋 水一，二 广= 迤夕一 线虫 、 镜射对称 ；、 、糍 - 来自环境的信息 o 上下破缺 原生动物 球对称 c = 前一后破缺一左一右破缺 图1 5 动物进化与对称破缺【2 8 】 图1 5 中的最后一栏还提到了生物形体结构的左右对称破缺现象，并认为是 时问因素诱导产生了这一破缺。事实上，高等动物的镜射对称破缺现象已十分普 遍，并以内脏器官形态位置的对称破缺最为显著，例如哺乳动物，包括人类的心 脏位于左侧；右侧的肺比左侧的多一个肺叶，胃和脾脏位于左侧而肝脏的右叶与 左叶大小形态也相去甚远f 2 9 1 ；人脑结构与功能的不对称也吸引了众多科学家的 研究目光3 0 】【3 1 1 。此外，运动器官也有很多对称破缺的现象，如人的左右手的运 动能力就很不同，有的人惯用左手，有的人惯用右手，也就是我们熟知的左撇子 和右撇子。但这些出现对称破缺的运动器官与动物的定向运动无直接关联，例如 没有人会惯用左脚或右脚走路，招潮蟹极富炫耀性的大螯只是用于发出求偶信号 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 和争夺配偶时的战斗，对于爬行时的稳定性反而有不利影响。 3 ) 动态对称破缺 对于动物而言，不仅存在形态结构的对称破缺，其运动过程中的动态对称破 缺亦成为学者研究的内容。首先，运动的产生需要力的作用，这本身就包含了不 对称因素，例如扑翼运动过程中，翅膀下扑与提升时的形状就很不同，所用的时 间也不相等，由此获得向上的支撑力以及前进的动力【3 2 1 。其次，任何运动状态 的改变都可找到不对称的身影如图1 6 所示昆虫的不对称扑翼过程，通过在扑 翼的同时附加一个身体的转动，改变了两翼的受力平衡从而获得转向所需的动力。 羽翅的运动 身体转动 一空气动力矢量 。质心 图1 6 不对称扑翼使得昆虫获得转向动力 科学家根据前双腿和后双腿中的两条腿落地动作在时间上是否平均分配，将 四足动物的步态分为对称步态和不对称步态两种形式 3 4 1 。一般而言，对称步态 常见于负荷因子大于0 5 的低速运动，其任意时刻四足中至少有一足着地，如行 走步态、对角小跑步态及同侧小跑步态等；而非对称步态常见于负荷因子小于 o 5 的快速运动，此时存在四足同时离地的悬空阶段，如动物的奔跑步态。图1 7 列举了一种对称步态( 行走) 和一种不对称步态( 奔跑) 的时序图。 对称步态 行走 l h _ l f i r f r h 不对称步态 奔跑 l h l f _ r f r h 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 0 2 5 5 0 石扩1 ( 图中黑色区域表示足着地的时段，横坐标为运动周期百分比) 图1 7 对称步态与不对称步态【3 5 】 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 从上文引述可知，动态不对称的运动姿态对于快速运动有一定优势，本文作 者在人类的竞技游泳运动中也发现了类似的例证。竞技游泳包括自由泳、蛙泳、 仰泳、蝶泳四种，蛙泳和蝶泳时身体两侧同步动作，对称度较高，而自由泳和仰 泳时身体两侧交替划水和踢水，对称度有所降低。从男子游泳世界记录的成绩( 见 表1 1 ) 及其分析结果( 见表1 2 ) 看，自由泳的平均速度最快，仰泳最省力( 2 0 0 m 项目的平均速度相比5 0 m 项目速度的平均速度降幅最小) ，可见不对称的泳姿在 竞技游泳运动中的优势。仰泳的发展历史也映证这一观点，早期仰泳采用两臂同 时划水和两腿同时夹水的配合方式( 也称反蛙泳) 。由于配合效果不好速度较慢， 直到1 9 1 2 年第五届奥运会时，美国运动员h 赫伯纳采用两臂轮流划水、两腿上 下打水的仰泳技术并获得1 0 0 米仰泳冠军，此后反蛙泳才淡出竞技舞台。 表i 1 男子游泳世界纪录成绩表 项目 自由泳仰泳蝶泳蛙泳 成绩( 沁 男子5 0 m 2 0 9 12 4 0 42 2 4 32 6 6 7 男子l o o m 4 6 9 15 1 9 44 9 8 25 8 5 8 男子2 0 0 m 1 0 21 1 1 9 21 1 1 5 11 2 7 3 l 表1 2 男子游泳世界纪录平均速度 项目 自由泳仰泳蝶泳蛙泳 速度( m 手 男子5 0 m 2 3 92 0 82 2 31 8 7 男子1 0 0 m 2 1 31 9 32 0 11 7 l 男子2 0 0 m 1 9 61 7 91 7 91 5 7 2 0 0 m 项目相比5 0 m 1 8 o 1 4 1 1 9 5 1 6 2 项目均速降幅 1 2 2 建筑物的对称破缺与不对称 出于力均衡和稳固性的考虑，对称式设计模式成为建筑设计的一种主流并长 期流传下来【3 6 】，古代社会统治阶层则更多为了显示权力和权威而选择对称构形， 从埃及金字塔、罗马提图斯凯旋门到中国的天坛、赵州桥都是如此。然而，随着 建筑结构力学研究的深入以及建筑材料、施工技术的突飞猛进，不对称结构越来 数据来源：0 9 年所创游泳世界纪录一览，h 印s p o r t s s i l l a l 札伽，o 陀0 0 9 一1 2 - 2 i 0 8 0 1 4 7 5 5 1 1 4 s h 咖l 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 越多地出现在建筑设计中，以满足现代人审美的多样化。 无论从表现形式到作用机理，建筑中的不对称现象与机械中的不对称现象存 在诸多相似之处，有些实例甚至可以作为机械对称破缺研究的实例来源例如不 对称拱桥( 图1 8 ) 打破了一般拱桥以拱顶垂直线为对称轴，两边构造均对称的 常规在桥型设计时，根据河床断面的形状特点调整拱轴线，以减少墩台的圬工 体积。桥面也可任意设置纵坡，减少桥头引道的高填或低挖土方，经济效益比较 显著又如不对称屋面适应了高纬度地区光照长期偏斜( 不对称) 的实际情况， 有利于减少阴影，改善玻璃温室的光照条件鲫 图1 8 不对称拱桥口8 1 1 2 3 艺术品的对称破缺与不对称 对称与不对称是人们在艺术创作过程中常用的美学概念。对称意味着静止和 约束，不对称意味着运动和松弛；前者有秩序和规律，后者却任意和偶然；前者 拘于形式上的刻板和约束，而后者有生气有变化和有自由【3 9 1 例如摄影中有一 条“三分之一构图原理”，构图时将画面平均分成垂直的三等份，把主体摆在其 中的一条分隔线上。这种不对称构图方法经常可以创造出比把主体放在中央更有 力的画面，图1 9 中b 图传递出的运动感使画面较a 图更具吸引力。从艺术发 展史看，不对称元素也越来越多地出现在艺术家的作品中，如图1 1 0 所示，a 中的c y c l a d i 觚女神几乎展现出完美的镜射对称性，随着时间的推移，艺术家创 作的雕塑的结构形态对称度不断降低，而作品传递出的信息更加丰富，艺术感染 力也更强 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ab 图1 9 不对称与美学中的三分之一”构图原理m a b c d 古希腊不同时期的雕塑：a c y c l a d i 锄女神，公元前2 0 0 0 年；b k y r o s ，公元前5 2 0 年； c 碰t i l ( i t e r a ，公元前3 4 0 年；d a p h r o d i t e ，公元2 世纪 图1 1 0 雕塑作品对称破缺的趋势4 1 1 1 3 机械对称破缺的研究现状 虽然对称破缺现象在机械系统中有广泛存在，但国内外相关研究较少，尤其 是系统性的研究更少。 1 3 1 理论研究 现有的理论研究主要集中在t r i z 及其改进理论中。g s 刖t s h u l l e r 创建的 t r i z ( t h et h e o u o f i n v c n t i v ep r o b l 锄s 0 1 v i i l g ) 理论系统研究人类在发明创造、 解决技术难题过程中所遵循的科学原理和方法1 4 2 】【4 3 1 。通过分析2 5 0 万件发明专利， a l t s h u l l e r 提出了技术系统的进化法则、4 0 个发明原理、矛盾矩阵、物一场分析等 设计原理方法和工具。其中，第4 条创新原理是关于对称破缺( s y n 衄e t 巧- b r e a l ( i n g ) 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的应用，具体表述为：1 ) 将研发对象的形状由对称变为不对称，2 ) 若研发对象 是不对称的，增加其不对称的程度。在随后的矛盾矩阵中描述了对称破缺原理与 解决工程参数技术冲突之间的对应关系。t r i z 理论描述的对称破缺发明原理有 两个特点：第一，对称与不对称的概念主要集中在静态结构或形态上，对于机械 系统动态过程中的对称破缺现象，以及隐含其中的功能与原理层次的对称和对称 破缺尚缺乏关注；第二，对称破缺应用的视角只限于消解某些技术冲突，对于不 存在冲突或不适宜从冲突角度考虑问题的情况没有做出相应的说明 r o n ih o r o w 沱等人在t i 湿理论基础上提出了改进型系统创新思维( a s i t ， a d v a n c e ds y s t e m 撕cm e 而v et h j n k j d g ) 理论。a s r r 理论将t r i z 理论中的4 0 个 创新原理转化为5 项思考工具，包括统一化( u 1 1 i f i c 撕0 n ) 、倍增( m u l t i p l i c a t i o n ) 、 分割( d i v i s i o n ) 、对称破缺( s ) ，n 皿e 缸y b r e a k i n g ) 和移除对象( o b j e c tr e m o 、，a 1 ) m 】其中，对称破缺工具涵盖了t r i z 理论4 0 条创新原理中的1 4 条创新工具 将“对称状态转化为不对称状态”作为解决问题的5 项思考工具之一，相比原先 的t r i z 理论，更加体现了对称破缺在设计中的重要意义 a s l l r 理论还认为，一个设计问题一般可以通过增加对象、去除对象或改变 对象这三种途径解决，以消解技术冲突或使其得到明显改善【4 5 1 其所述的对象 又分为系统对象( s y s t e mo 巧e c t ) 和过程对象( p r o c e s so b j e c t ) 两类，可以使用 a s r r 思考工具中的分割工具( d i v i s i o nt 0 0 1 ) 和对称破缺工具( s ) ，玎衄e n y - b r e a k i n g t 0 0 1 ) 实现对象属性的改变。在使用对称破缺工具时，需要考察系统的空间对称 性、时间对称性以及群对称性( g r o u ps p 哪e 仃y ) ，如表1 3 所示。 表1 3 a s r r 理论中的工具及其对象m ( x 代表可用) 卜兰： 系统对象过程对象 倍增工具 xx 增加 统一化工具 xx 去除移除对象工具xx 分割工具 xx 改变 空间对称 x 对称破缺工具时间对称 xx 群对称x a s l l r 理论还提到了对称破缺工具的应用步骤，包括： 1 定义问题。列出问题对象( p r o b l e mo b j e c t s ) 与环境对象( 即v 曲删 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 0 b j e c t s ) ； 2 选出一个可以变为不对称的对象，列出该对象的参数； 3 应用对称破缺工具选择一个变量，使该变量在不同部位和不同时间上具 有不同的值； 4 定义核心想法( i d e a ) ，拓展并详细阐述该想法 在t 比的另一个改进型理论，“统一结构化创新思维理论”( u s l l r ，u n i f i e d s 仇l 删i n v e 埘v et h 幽g ) 中，对称破缺创新原理主要用于改变与物体( o b j e c t ) 尺寸和形状有关的属性上，以实现系统与外部不对称的匹配( t 0m a 白c he x t e m a l 鹊y 删n 哪) 4 7 1 。其中提出了问题解决过程中使用对称性的四个维度：引入对称 ( 1 1 1 廿o d u c es ) ，m m 哪) 、增加对称( 1 1 1 c r e 鹅es y 玎1 m e 时) 、减小对称( d e c r e 雒e s y m m e 仃y ) 、去除对称( r e m o v es y m m e 仃y ) 【4 8 】。不过u s r r 中匹配外部不对称 原理的应用只集中于人机工程学设计领域，且对于外部不对称的种类及如何实现 与外部不对称匹配的方法缺乏深入研究 ， 此外，p 6 t e rv 触o n y i 在其博士论文【4 9 】中，研究了结构优化中的不完美对称 ( i m p 刊ts y 玎姗e 时) 现象，他认为对称结构在一些类型的结构优化问题中是典 型的局部最优解，但仍可通过引入一组适当的微小扰动来改善结构性能。作者讨 论了细微对称性破缺对于提高对称结构性能的条件，以及引入微小扰动的方法。 然而该研究仅限于静态结构的强度性能讨论，未涉及机械中普遍存在的动态情况 及其它性能指标 在面向制造的设计( d f m ) 领域，s t 嘴c sr h 等人认为在装配过程中，一 个相对于平行或垂直插入方向完全对称的零件不需要仔细的定位，其装配时间也 相对短一些，而具有轻微不对称的零件比具有显著不对称的零件更难定位。因此 为了便于装配，需要设计师根据实际情况要么将零件设计成对称以避免定位，要 么使无法设计成对称的零件具有明显的不对称特征，以降低识别的难度【5 0 】【5 1 】【5 2 1 1 3 2 应用研究 机械工程中还出现了一些利用对称破缺改善机械性能的结构设计实例，王冬 姣5 3 1 等人提出了一种不对称尾鳍节能装置，如图1 1 1 所示这种不对称尾鳍可 以平衡单桨右旋螺旋桨前进时形成的强大右旋水流，从而减小能量损失。船模试 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 验结果表明，采用不对称尾鳍后的节能效果非常显著 a ：a 尾部水线面 图1 1 l 不对称尾鳍侧面轮廓图 韩致信【5 4 】等人针对内燃机活塞对称布置活塞与偏心布置两种曲柄滑块机构 ( 如图1 1 2 所示) 建立了运动学与动力学数学模型，分析对比了这两种曲柄滑 块机构的动力学和运动学特性。结果表明，相对于对称活塞内燃机来说，偏置活 塞内燃机最显著的优点在于：1 ) 可增大曲轴扭矩和内燃机功率，从而更有效地利 用能量；2 ) 可减小活塞与缸套间的摩擦力，并明显改善这两个零件的偏磨状况， 从而有效地延长它们的工作寿命。 ( a ) 活塞对称布置 i j ( b ) 活塞偏置布置 图1 1 2 曲柄滑块机构 d e n g 【5 5 】和k a p e l e v i c h 【5 6 】等人的研究表明，工作齿面采用大压力角，非工作 齿面采用小压力角的非对称齿轮( 如图1 1 3 所示) 可以在提高齿根弯曲强度、 齿面接触强度和抗胶合承载能力的同时避免降低齿顶强度和齿轮的抗冲击性能。 肖望强等人【5 7 】在高频疲劳试验机上采用双齿脉动加载方法对上述非对称齿轮进 行的疲劳强度试验结果表明，压力角为3 5 。的非对称齿轮在相同寿命下比对称 齿轮可承受的载荷平均提高了3 5 ，极限载荷提高了5 0 ，如图1 1 4 所示 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 l o 8 l o 6 l o 4 兰1 0 2 1 0 o 9 8 9 6 91 0l l1 21 31 4 1 叫 驴表示戴荷，表示寿命移d 图1 1 3 非对称齿轮齿廓形状图1 1 4 对称齿轮与非对称齿轮疲劳试验结果 陈照章5 8 1 等人提出的一种新型非轴对称结构电磁体用于鼓